本發(fā)明屬于巖土工程勘察設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種精確評估扁鏟側(cè)脹儀上原位應(yīng)力的方法。

背景技術(shù)：

扁鏟側(cè)脹試驗由意大利Marchetti教授30多年前發(fā)明，作為一個常規(guī)的表征場地特性的裝置，已被廣泛用于巖土工程實踐中，其具體是利用氣壓使扁鏟探頭上的鋼膜片側(cè)向膨脹，分別測得膜片中心側(cè)向膨脹不同距離(0.05mm和1.1mm這兩個特定位置)時的氣壓值，根據(jù)測得的氣壓與變形關(guān)系，獲取地基土的參數(shù)，能夠給巖土工程師提供一個簡單有效的工具來獲取準(zhǔn)確、可信的土的性質(zhì)如土的狀態(tài)，應(yīng)力歷史，扁鏟側(cè)脹模量。隨著扁鏟側(cè)脹的全世界范圍內(nèi)普遍使用，各種修正的扁鏟側(cè)脹試驗提出為了不同的目的，在這些修正的設(shè)備中，扁鏟側(cè)脹試驗?zāi)軌虍a(chǎn)生一個完整的壓力-位移曲線，通過比較標(biāo)準(zhǔn)扁鏟側(cè)脹試驗兩個特定位移點(0.05mm和1.1mm)處的壓力讀數(shù)，一個完整的壓力-位移的扁鏟側(cè)脹試驗曲線讓我們更清楚地理解扁鏟側(cè)脹技術(shù)，同時也表明在評估土性質(zhì)方面有希望改善。

修正的第一次原位應(yīng)力(P₀)在扁鏟側(cè)脹試驗中是很重要的，因為求土性指數(shù)I_D、水平應(yīng)力指數(shù)K_D以及扁鏟側(cè)脹模量E_D等這些常用的參數(shù)時都需要輸入中間參數(shù)原位應(yīng)力P₀，那么確定P₀的任何誤差都會導(dǎo)致土體性質(zhì)的不能正確評估甚至無誤判。

在標(biāo)準(zhǔn)的扁鏟側(cè)脹試驗中，P₀來自假定線性的壓力-位移曲線關(guān)系，可以從膜側(cè)向膨脹為0.05mm和1.10mm的壓力值反推。如下公式：

p₀＝1.05(A-z_M+ΔA)-0.05(B-z_M-ΔB)

p₁＝B-z_M-ΔB

p₂＝C-z_M+ΔA

p₀膜片向土中膨脹之前的接觸壓力，kPa；p₁膜片膨脹至1.10mm時的壓力，kPa；p₂膜片回到0.05mm時的終止壓力，kPa；ΔA,ΔB為通過標(biāo)定得到膜片的標(biāo)定值，用于對A，B讀數(shù)進行修正。z_M壓力表零漂，kPa。

這樣可以看到P₀不能直接測試，但實際上是在零位移時的一個修正壓力值。這種方法對于線性的壓力-位移關(guān)系可以準(zhǔn)確地，可重復(fù)地求的P₀，但是對于土體呈現(xiàn)高度非線性壓力-位移關(guān)系就會估計不準(zhǔn)，有偏差。

而對于目前扁鏟側(cè)脹試驗處理手段只能適用于土體具有線性的壓力-位移關(guān)系。很顯然對于土體呈現(xiàn)非線性的壓力-位移關(guān)系時采用傳統(tǒng)的扁鏟側(cè)脹試驗方法顯得很局限且不準(zhǔn)確。

本發(fā)明基于常規(guī)的扁鏟側(cè)脹試驗，提出了一種能夠精確評估扁鏟側(cè)脹儀原位應(yīng)力的方法，簡單實用，結(jié)果準(zhǔn)確，為巖土工程勘測設(shè)計提供正確有效的測試參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)扁鏟側(cè)脹試驗數(shù)據(jù)處理中位移與壓力的近似線性關(guān)系不能準(zhǔn)確反映土體的真實情況的問題，提出一種能夠精確評估扁鏟側(cè)脹儀原位應(yīng)力的方法，適用范圍廣，使用方便精確。利用該方法能夠正確有效地測定扁鏟側(cè)脹試驗修正的第一次原位應(yīng)力(P₀)，進而正確求解土體參數(shù)。

技術(shù)方案：一種精確評估扁鏟側(cè)脹儀上原位應(yīng)力的方法，具體步驟如下：

步驟一、利用裝有壓力傳感器和位移傳感器的扁鏟側(cè)脹實驗，獲得完整的壓力-位移曲線，其中，x軸上位移為線性刻度，y軸上壓力為對數(shù)刻度；

步驟二、通過扁鏟側(cè)脹試驗得到一個初始硬土在加載時響應(yīng)的曲線，擬合曲線的數(shù)據(jù)點從膜開始移動的起始脫離點O到加載的最后，用一個冪函數(shù)表示為：

y＝ax^b+c

步驟三、確定擬合曲線的最大曲率值點，由于曲率是曲率半徑的倒數(shù)，最大曲率點由最小半徑值給出，即曲率半徑最小的點，采用數(shù)學(xué)曲率半徑R的定義，由方程(5)的冪函數(shù)來確定R，方程(5)如下：

R＝x^2-b[(a²b²x^(2b-2)+1)^3/2]/[ab(b-1)]

步驟四、過最大曲率值點作垂直線與切線；

步驟五、作第四步中垂直線與切線之間的平分線；

步驟六、用線性擬合后屈服曲線的直線部分；

步驟七、第五步中的平分線與第六步中的直線段或者其延長線相交于一點，通過該點獲取屈服點的位移；利用屈服點Y來區(qū)別重新加載階段O-Y與后屈服階段Y-A-B，O為膜開始移動的起始脫離點，Y是屈服的開始，A是位移為0.05mm時的壓力讀數(shù)，B是位移為1.10mm時壓力的讀數(shù)；

步驟八、屈服點Y通過下列表達式確定：

Y＝ex+f-gh^x

其中e、f為線性漸近線的參數(shù)，g表示非線性部分的范圍，h表示非線性速率；

步驟九、屈服點Y確定后，后屈服曲線的起始階段也確定了，零位移處的P₀也能夠根據(jù)后屈服曲線的擬合方程進行外推求得。

進一步的，所述的步驟七中，與典型的前期固結(jié)壓力確定方法不一樣，因為扁鏟側(cè)脹試驗是位移可控試驗，土單元加載通過鋼膜擴張膨脹到位移為1.1mm時獲得，不同的土體在同樣的壓力下獲取的位移也不同，所以壓力需要在不同的土體的變化位移來獲取。一維固結(jié)試驗是壓力可控試驗，試樣承受壓力的增量直到最后壓力等于或者大于四倍的前期固結(jié)壓力。因此，在一些土體中，扁鏟側(cè)脹試驗中不可能獲得一個足夠大壓力，但最終最大位移1.1mm通常高于相交點的位移的多倍。

進一步的，所述的步驟九中，外推P₀采用的后屈服曲線的擬合方程，只有g(shù)≥0且0＜h＜1才有效。

有益效果：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)扁鏟側(cè)脹試驗數(shù)據(jù)處理中位移與壓力的近似線性關(guān)系不能準(zhǔn)確反映土體的真實情況的問題，提出一種能夠精確評估扁鏟側(cè)脹儀上原位應(yīng)力的方法，利用該方法能夠正確有效地測定扁鏟側(cè)脹試驗修正的第一次原位應(yīng)力(P₀)，適用范圍廣，自動化程度高，減小了誤差，使用方便精確。進而正確求解土體參數(shù)，全面反映土體性質(zhì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的扁鏟側(cè)脹實驗的壓力-位移示意圖。

其中有：即在膜開始移動的起始脫離點O，屈服的開始點Y，位移為0.05mm時的壓力讀數(shù)A，位移為1.10mm時壓力的讀數(shù)B，重新加載階段O-Y，后屈服階段Y-A-B。

圖2是幾種典型的扁鏟側(cè)脹試驗壓力-位移圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種精確評估扁鏟側(cè)脹儀原位應(yīng)力的方法為：

利用裝有壓力傳感器和位移傳感器的扁鏟側(cè)脹實驗，獲得完整的壓力-位移曲線，分析曲線上關(guān)鍵點來確定第一次原位應(yīng)力(P₀)。

通過扁鏟側(cè)脹試驗得到壓力-位移曲線以及一個初始硬土在加載時響應(yīng)的曲線，如圖2，在加載階段考慮幾個重要的點，O即在膜開始移動的起始脫離點，Y是屈服的開始，A是位移為0.05mm時的壓力讀數(shù)，B是位移為1.10mm時壓力的讀數(shù)。主要包括兩個方面：首先是確定屈服點Y來區(qū)別重新加載階段O-Y與后屈服階段Y-A-B，其次基于加載曲線的后屈服階段來估計P₀。

在一維固結(jié)試驗，前期固結(jié)壓力不能直接測試，但可以通過使用經(jīng)驗圖形得到令人滿意的結(jié)果，比如利用Casagrande(1936)提出的方法，那么介于扁鏟側(cè)脹試驗與一維固結(jié)實驗相似的加載過程，它們都是首先不加載在鏟貫入過程中，而后進行初始加載，那么也可以采用相似化的圖形的方法來確定扁鏟側(cè)脹壓力-位移關(guān)系曲線屈服點Y。

確定方法包括如下步驟：

第一步，通過扁鏟側(cè)脹試驗，繪制半對數(shù)曲線，其中x軸上位移為線性刻度，y軸上壓力位對數(shù)刻度，這是典型的扁鏟側(cè)脹試驗曲線，可以清楚地表明應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；

第二步，擬合曲線的數(shù)據(jù)點從脫離點到加載的最后，用一個冪函數(shù)表示為

y＝ax^b+c

第三步，確定擬合曲線的最大曲率值點，由于曲率是曲率半徑的倒數(shù)，最大曲率點由最小半徑值給出，即曲率半徑最小的點，采用數(shù)學(xué)曲率半徑R的定義，由方程(5)的冪函數(shù)來確定R，方程(5)如下：

R＝x^2-b[(a²b²x^(2b-2)+1)^3/2]/[ab(b-1)]

第四步，過最大曲率值點作垂直線與切線；

第五步，作第四步中垂直線與切線之間的平分線；

第六步，用線性擬合后屈服曲線的直線部分；

第七步，第五步中的平分線與第六步中的直線段或者其延長線相交于一點，通過該點獲取屈服點的位移；利用屈服點Y來區(qū)別重新加載階段O-Y與后屈服階段Y-A-B，O為膜開始移動的起始脫離點，Y是屈服的開始，A是位移為0.05mm時的壓力讀數(shù)，B是位移為1.10mm時壓力的讀數(shù)；

步驟八、屈服點Y通過下列表達式確定：

Y＝ex+f-gh^x

其中e、f為線性漸近線的參數(shù)，g表示非線性部分的范圍，h表示非線性速率；

第九步，屈服點Y確定后，后屈服曲線的起始階段也確定了，零位移處的P₀也可根據(jù)后屈服曲線的擬合方程進行外推求得。

所述的第七步中，與典型的前期固結(jié)壓力確定方法不一樣，因為扁鏟側(cè)脹試驗是位移可控試驗，土單元加載通過鋼膜擴張膨脹到位移為1.1mm時獲得，不同的土體在同樣的壓力下獲取的位移也不同，所以壓力需要在不同的土體的變化位移來獲取。一維固結(jié)試驗是壓力可控試驗，試樣承受壓力的增量直到最后壓力等于或者大于四倍的前期固結(jié)壓力。因此，在一些土體中，扁鏟側(cè)脹試驗中不可能獲得一個足夠大壓力，但最終最大位移1.1mm通常高于相交點的位移的多倍。

所述的第九步中，外推P₀采用的后屈服曲線的擬合方程，只有g(shù)≥0且0＜h＜1才有效。

所述的第一步到第九步的算法已編制程序，可以自動化地實現(xiàn)快速計算。

本發(fā)明不僅能夠計算扁鏟側(cè)脹傳統(tǒng)試驗土體壓力-位移線性關(guān)系情況，還能夠精確計算扁鏟側(cè)脹試驗土體壓力-位移非線性關(guān)系的情況，利用該方法能夠正確有效地測定扁鏟側(cè)脹試驗修正的第一次原位應(yīng)力(P₀)，適用范圍廣，自動化程度高，減小了誤差，使用方便精確。進而正確求解土體參數(shù)，全面反映土體性質(zhì)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。